【手撕代码】HDB3编解码

【手撕代码】HDB3编解码

1. 来源和需求

HDB3编解码任务来源于2023年3月4日“FPGA技术讨论群”的一次活动《101群第一次FPGA编码交流研讨会》，要求设计HDB3编解码，本篇文章作者【roy2022】，经作者授权后转发，以下所有文件版权归作者所有。

输出物包括：

• 1. 编码模块。
• 1. 解码模块。
• 1. 编解码的仿真模块。
• 1. 设计报告、代码工程包等。

HDB3的编码规则、编码及解码模块接口定义见《101群第一次FPGA编码交流研讨会》（在最后的代码链接中）。

2. 设计

2.1. 需求分析

此次需求提供的十分明确，给出了编码规则及示例，明确了编解码端口要求；仿真模块根据设计进行适配。

2.2. HDB3编码模块

对HDB3编码规则解读如下：

1. 复位（RST）有效（1）时，进行初始化，输出VALID为0、HDB3_CODE为0编码（000）。采用异步复位、同步释放。当复位（RST）无效（0）时进行编码。
2. 在输入时钟CLK的上升沿进行转换。
3. 在CLK上升沿进行判别时，当输入READY为有效（1），DATA_IN有效，为0或1。
4. 对READY和DATA_IN打一节拍，人为产生1个CLK的延时。
5. 在CLK上升沿进行编码判别，DATA_IN有效为1时，立即进行编码，若存在待转换的0，待转换的0也进行编码，并加入待输出编码队列；当DATA_IN有效为0时，若存在待转换的0的个数为（0～３）、也即当前为第4个0，则进行编码，并加入待输出编码队列，否则暂停编码。
6. 在CLK上升沿进行编码输出，若存在待输出编码，则输出VALID为1、HDB3_CODE为对应编码。
7. 一共7种编码形式，对应0、±1、±B、±V；1可能被编码为+1、-1,0可能被编码为0、+B、-B、+V、-V。1、B极性交替（+、-交替出现）、V极性交替；第一个编码极性为+。当出现0时，若是连续的第4个0，则替换为V（极性按交替规则），然后若V极性和前一个1或B的极性不同，则将连续4个0中的第1个0替换为B且极性和V相同，其余0编码为0. 由此可见，编码应在RST无效（为0）、READY有效（为1）时按照DATA_IN（0或1）、积累的待编码0数量（0～３）、上一个1或B的极性、上一个V的极性开展，编码后更新待输出编码数量和待输出编码队列。故在编码模块“tt_hdb3_encoder”中设置了如下信号量：
8. tmp_rst:std_logic_vector(1 downto 0)，初始化为00,用于复位同步释放，同时将复位输入RST有效性由1变为0.
9. tmp_din,tmp_ready:std_logic，分别对DATA_IN和READY打一节拍。
10. tmp_dataout，深度为4、宽度为3的输出编码缓冲，最多4个。
11. flag_1BPOL、flag_VPOL:std_logic，1或B极性、V极性标志位，表征上一个1/B/V的极性，0表示-、1表示+。
12. cnt_tbpo:natural range 0 to 7 := 0，待输出编码个数，实际范围为（0～4）。
13. cnt_tbc:natural range 0 to 3 := 0，待编码0个数，范围为（0～３）。 当cnt_tbpo>0时，每个clk上升沿将输出编码缓冲的(cnt_tbpo-1)编码对外输出。 具体代码实现使用VHDL，在ISE14.7中完成，文件为“tt_hdb3_encoder.vhd”。 2.3. HDB3解码模块 相对于编码，HDB3解码较为简单，输入有效时，将±1解码为1、将0/±B/±V解码为0；解码模块tt_hdb3_decoder的复位、输入打节拍处理同编码模块。 具体代码实现使用VHDL，在ISE14.7中完成，文件为“tt_hdb3_decoder.vhd”。 2.4. 编解码仿真模块 编解码仿真需要提供可控的输入数据流DATA_IN。此次，通过附加test_2bit模块来提供仿真数据流，建立一个多位的std_logic_vector（80位），在CLK时钟上升沿从低位逐位移出。 仿真准备：将test_2bit、tt_hdb3_encoder、tt_hdb3_decoder例化在test_top工程下，但是将test_2bit的输入时钟和编解码模块的输入时钟取反，便于在编解码仿真时输入数据稳定。

3. 验证

由于预建立了仿真工程test_top，仿真文件tbw_test_top处理较为简单，设置RST和READY即可。在ISE14.7环境下使用ISim完成了仿真验证。

在Vivado2018.3环境下（仿真Vivado Simulator）也进行了仿真验证。

资源使用情况（Target Device: xc7k325t-2ffg900，ISE14.7）：

代码链接

❝https://github.com/suisuisi/FPGATechnologyGroup/tree/main/HDB3 ❞